Растворы. Способы выражения концентрации растворов

Введение

Раствор — это однородная система, состоящая из двух или более компонентов, которые не вступают в химическую реакцию друг с другом. В растворе один компонент (растворитель) является основным и определяет свойства раствора, а другой компонент (растворённое вещество) находится в меньшем количестве и влияет на свойства растворителя.

В химии растворы играют важную роль, так как большинство химических реакций происходит именно в растворах. Растворы используются в различных областях науки и техники, таких как медицина, сельское хозяйство, производство и т.д.

Концентрация раствора — это количество растворённого вещества, содержащегося в определённом объёме или массе раствора. Концентрация может быть выражена различными способами, в зависимости от того, какое свойство раствора мы хотим определить.

Способы выражения концентрации

Существует несколько способов выражения концентрации раствора:

1. Массовая доля — это отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора, выраженное в процентах. Массовая доля обозначается символом ω и рассчитывается по формуле:

ω = m(растворённого вещества) / m(раствора) * 100%

Пример: если в 1 кг раствора содержится 20 г сахара, то массовая доля сахара в растворе составляет:

ω(сахара) = 20 / 1000 * 100% = 2%

2. Молярная концентрация — это количество молей растворённого вещества в одном литре раствора. Молярная концентрация обозначается символом c и рассчитывается по формуле:

c = n(растворённого вещества) / V(раствора), где n — количество вещества в молях, V — объём раствора в литрах.

Пример: если в 5 л раствора содержится 3 моля серной кислоты, то молярная концентрация серной кислоты в растворе составляет:

с(H₂SO₄) = 3 / 5 = 0,6 моль/л

3. Нормальная концентрация — это количество эквивалентов растворённого вещества в одном литре раствора. Нормальная концентрация обозначается символом н и рассчитывается по формуле:

н = z * c, где z — число эквивалентности, c — молярная концентрация.

Эквивалент — это условная частица вещества, которая может вступать в реакцию с одним атомом водорода или замещать его в соединениях. Число эквивалентности определяется по формуле: z = M / f, где M — молярная масса вещества, f — фактор эквивалентности.

Фактор эквивалентности — это число, показывающее, какая часть молекулы или иона вещества соответствует одному эквиваленту. Фактор эквивалентности может быть равен единице, половине или другому числу, в зависимости от реакции, в которой участвует вещество.

Например, для реакции нейтрализации кислоты основанием фактор эквивалентности кислоты равен её молярной массе, делённой на основность кислоты (число атомов водорода, способных замещаться на металл). Для реакции окисления-восстановления фактор эквивалентности окислителя или восстановителя равен его молярной массе, делённой на число электронов, участвующих в реакции.

Для расчёта нормальной концентрации необходимо знать молярную массу вещества и фактор эквивалентности. Например, если молярная масса серной кислоты равна 98 г/моль, а фактор эквивалентности равен 1/2, то нормальная концентрация серной кислоты составит:

н(H₂SO₄) = ½ * 0,6 = 0,3 моль/л

4. Титр — это масса растворённого вещества, содержащаяся в одном миллилитре раствора. Титр обозначается символом T и рассчитывается по формуле:

T = m(растворённого вещества) / V(раствора), где m — масса вещества в граммах, V — объём раствора в миллилитрах.

Титр используется для определения концентрации раствора методом титрования, который заключается в добавлении к исследуемому раствору известного количества реагента до тех пор, пока не произойдёт реакция. По объёму израсходованного реагента можно рассчитать концентрацию раствора.

Пример: если к 1 мл раствора добавили 2 мл 0,1 н раствора гидроксида натрия, и произошла реакция нейтрализации, то титр раствора равен:

T(кислоты) = m(кислоты) / V(раствора) = 1 / 2 = 0,5 г/мл

Это означает, что в 1 мл раствора содержится 0,5 грамма кислоты.

5. Моляльность — это количество молей растворённого вещества на килограмм растворителя. Моляльность обозначается символом b и рассчитывается по формуле:

b = n(растворённого вещества) / m(растворителя), где n — количество вещества в молях, m — масса растворителя в килограммах.

Моляльность используется в термодинамических расчётах, так как она не зависит от температуры и давления.

Пример: если в 2 кг воды растворить 1 моль сахара, то моляльность раствора составит:

b(сахара) = 1 / 2 = 0,5 моль/кг

6. Процентная концентрация — это массовая доля растворённого вещества, выраженная в процентах. Процентная концентрация обозначается символами % или ppm (parts per million) и рассчитывается по формулам:

% = m(растворённого вещества) / m(раствора) 100%, ppm = m(растворённого вещества) / m(раствора) 1 000 000%.

Процентная концентрация используется для описания концентрации веществ в растворах, используемых в быту и промышленности.

Пример: если в 1 л воды растворено 10 г соли, то процентная концентрация соли в растворе составит:

%(соли) = 10 / 1000 * 100% ≈ 1%

7. Объёмная доля — это объём растворённого вещества, выраженный в процентах от общего объёма раствора. Объёмная доля обозначается символами φ или v/v и рассчитывается по формуле:

φ = V(растворённого вещества) / V(раствора) * 100%.

Объёмная доля используется для описания концентрации газов в смесях, например, воздуха или природного газа.

Пример: если в баллоне объёмом 1 м³ содержится 50 л кислорода, то объёмная доля кислорода в смеси составляет:

φ(O₂) = 50 / 1000 * 100% ≈ 5%

Выбор способа выражения концентрации зависит от цели исследования и свойств раствора. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки, поэтому важно выбрать наиболее подходящий способ для конкретной задачи.

Заключение

Таким образом, растворы являются важной частью нашей жизни, они окружают нас повсюду. Они используются в медицине, сельском хозяйстве, производстве и других областях. Для характеристики растворов используются различные способы выражения концентрации, такие как массовая доля, молярная концентрация, нормальная концентрация, титр, моляльность, процентная и объёмная доли. Выбор способа зависит от целей исследования и свойств конкретного раствора.